jeotermal bölge ısıtma sđstemlerđnde optđmum kontrol
advertisement
Makale JEOTERMAL BÖLGE ISITMA SĐSTEMLERĐNDE OPTĐMUM KONTROL Adil Caner Şener 1 , Macit Toksoy1, Gülden Gökçen 1 Đzmir Yüksek Teknoloji Ensitüsü, Makina Mühendisliği Bölümü - Đzmir e-mail: acanersener@yahoo.com, macittoksoy@iyte.edu.tr,, guldengokcen@iyte.edu.tr 1 de optimum kontrol tanımlanmış daha son ÖZET Jeotermal akışkan enerjisinin yer altın - ra optimum kontrol uygulandığında sistemledan yüzeye, yüzeyden de kullanıcılara ulaş- rin performansını gözlemlemek üzere kon tırılması ancak pompa kullanımı ile müm - vansiyonel enerji oranı (CER) ve konvansi yonel enerji fazlalık katsasyısı (CEER) adlı kündür. Buna bağlı olarak, jeotermal bölge ısıtma sistemlerinde işletme maliyetinin bü - iki parametre tanımlanmıştır. Son olarak çayük bir kısmını pompalama enerjisi oluştu - lışma Balçova-Narlıdere Jeotermal Bölge Isıtma Sistemi üzerinde uygulanmış sonuç rur. Ülkemizde şimdiye kadar geliştirilen ve ları ve değerlendirmeleri raporda verilmiştir. uygulanan jeotermal bölge ısıtma sistemi projelerinde bu sistemlerin optimum kontrolü (enerji ekonomisi) üzerinde yeterli duyarlılık- 1. Giriş ta durulmamıştır. Optimum işletilen bir sis -Jeotermal bölge ısıtma uygulamaları ge temde enerji tüketimi en aza inecek ve je - nel olarak geleneksel enerji kaynakları (Ma otermal enerjinin daha fazla konuta ulaştırı - zot, kömür vs.) ile yapılan ısıtmaya göre çok labilmesi mümkün olacaktır. Bu çalışma, ül - daha ekonomiktir. Ülkemizde, bu göreceli ekonomik üstünlük çoğu zaman yeterli ola kemizdeki en büyük jeotermal bölge ısıtma rak algılanmakta ve jeotermal ısıtma sistemsistemi olan Balçova-Narlıdere Jeotermal Bölge Isıtma Sistemi üzerinde yapılan araş - lerinin enerji ekonomisi üstünde durulma tırmalarda ortaya çıkan ve diğer bütün je - maktadır. Yapılan çalışmalar [1], ülkemizde otermal bölge ısıtma sistemleri için genel - işletilmekte olan jeotermal bölge ısıtma sis temlerinin çok daha yüksek performanslarda leştirilebilecek olan “birim elektrik tüketimi çalışabileceğini başına ne ka göstermektedir. dar jeotermal Adil Caner ŞENER 1977 Đzmir doğumlu olan Şener, 2000 yılında ODTÜ Makina enerji üretilmek- Mühendisliği Bölümü’nü bitirmiştir. Aynı yıl içinde Đzmir Yüksek Tek - Jeotermal bölge ısıtma sistemle tedir?” ve “tüke-noloji Enstitüsü’nde yüksek lisansa başlamıştır. 2000 yılından bu yana araştırma görevlisi olarak ĐYTE Makina Mühendisliği Bölü rinde işletme tilen elektrik mü’nde çalışan çalışan Şener, Balçova Jeotermal Bölge Isıtma hedefi, kullanıcıenerjisi müm -Sisteminin Optimizasyonu adlı projeyi yüksek lisans tez konusu ola rak çalışmıştır. 2002 yılında Birleşmiş Milletler Üniversitesi tara lara ihtiyaçları kün olan en dü fından burslu olarak davet edildiği Đzlanda’da jeotermal enerji sis olan ısı enerjisi şük değerde temleri konulu 6 aylık eğitim programına katılmıştır. Đzlanda’da kal ni temin eder midir?” sorula - dığı süre içerisinde Pipelab adlı bölge ısıtma sistemi simülasyon ve tasarım programı üzerinde çalışmalar yapmış ve bu programın ge ken, sistemin rından yola çık - liştirilmesine katkıda bulunmuştur. Tez çalışması sırasında tasar ladığı WELLOPT adlı program jeotermal bölge ısıtma sistemlerinde elektrik tüketimimaktadır. Ön optimum kuyu işletme stratejsini bulmak için kullanılmaktadır. Ana cellikle jeoter - çalışma konuları: jeotermal enerji sistemleri, boru mühendisliği, böl - ni minimize et mal bölge ısıt - ge ısıtma sistemi modellemesi ve tasarımı, jeotermal enerji sistem - mektir. Bu sis lerinde kontrol ve otomasyon olarak özetlenebilir. temlerde elektrik ma sistemlerin TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ / Mart-Nisan 2004 49 Şekil 1: Tipik bir jeotermal bölge ısıtma sisteminin basit şeması (ID= Isı değiştirgeci) enerjisinin neredeyse tamamının pompalar noktada bulunan ısı merkezine kadar taşı tarafından tüketildiği düşünülürse. Đşletme nır. Isısı temiz suya aktarılan jeotermal hedefine ulaşmak için üretimden dağıtıma, akışkan daha sonra re-enjeksiyon kuyuları bütün pompaların değişen sistem ısı yükü - na geri basılır. Temiz su ise kapalı devre ne göre ve en olan şehir dağı Macit TOKSOY verimli şekilde 1949 da Đlkkurşun (Đzmir) de doğdu. 1967’de Manisa Lisesi’ni, 1972 tım sisteminde de Đstanbul Teknik Üniversitesini bitirdi. Ege Üniversitesi’nden doktora çalıştırılması dolaştırılır ve derecesini aldı. 1982 senesine kadar Ege Üniversitesinde, 1999 senesi gereği ortaya çı- ne kadar, fakültesinin üniversite değiştirmesi, nedeniyle Dokuz Eylül ısı konutlara da Üniversitesi’nde öğretim üyesi olarak çalıştı. 1999’dan bu yana da Đzmir kar. ğıtılır. Sistemin Yüksek Teknoloji Enstitüsü’nde öğretim üyesi olarak çalışma hayatına Şekil 1’de ti - devam ediyor. 1999 senesinde Cumhurbaşkanlığı Genel Sekreteri, eski Şekil 1’de gös Đzmir Valisi Sayın Kemal Nehrozoğlu’nun kurduğu, Jeotermal Enerji Yük pik bir jeotermal sek terilenden farklı Danışma Kurulu’na üye seçilmesiyle, Türkiye’deki jeotermal enerji bölge ısıtma olarak birçok je uygulamalarını tanıma fırsatı buldu. O tarihten bu yana akademik çalışma zamanını ve gücünü, ülkemizdeki jeotermal enerji bölge ısıtma sissisteminin basit- temlerinin çağdaş, bilimsel ve teknik ölçütlerde projelendirilmesi ve uy- otermal kuyuya gulanmasına, ilgili bilgi ve teknolojinin yayılması için seminer ve konfeleştirilmiş bir ve yüzlerce bi ranslar düzenlenmesine, ilgili alanda araştırma yapmaya, lisansüstü tez şeması veril - çalışmaları yaptırmaya, bu alanda kamu kaynaklarının toplumsal du - naya bağlı oldu yarlılıkla kullanılmasına, ilgili alanda “Türkçe” yayın yapmaya ve yapılmiştir. Gerek ğu düşünülürse, masına katkı koymaya, yine ilgili alanda teknik standardların geliştiril içerdiği aşındı - mesine, ĐYTE bünyesinde Türkiye’nin gereksinimi olan Jeotermal Araş- sistemin opti tırma Geliştirme Test ve Eğitim Merkezi (GEOCEN) ’nin kurulmasına ve mum kontrolü rıcı elementler nihayet çok önemsediği ve gururunu duyduğu bir grup jeotermal enerji gerekse, hidrolik bölge ısıtma sistemi uzmanının yetişmesine kaykı koymaya ayırdı. nün belli bir iş Yaptıklarından çok mutlu. Bu mutluluğa neden olan Sayın Nehrozoğ gereksinimler letme stratejisi lu’na, gece ve gündüzlerini jeotermal enerji ile geçirmesine müsade ettik nedeniyle je - leri için ailesine, çalışmalarını destekleyen Balçova Termal ve Balçova ve otomasyon Jeotermal Şirketi yöneticilerine, lisansüstü öğrencilerine çok teşekkür otermal akış - ediyor. olmadan imkan kan sadece ku sız olduğu anla yulardan, kuyu şılır. lara yakın bir Jeotermal 50 TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ / Mart-Nisan 2004 bölge ısıtma sistemleri de diğer ısıtma sis temleri gibi tepe ısı yüküne göre tasarlanır lar ve ısıtma sezonunun büyük bir bölümünde kısmi yüklerde çalışırlar. Isıtma sistem lerinde ısı yükünü belirleyen bir numaralı etken dış hava sıcaklığıdır, bununla birlikte büyük bir bölge ısıtma sisteminin hava sı caklığı değişimlerine verdiği tepki bir çok et- küne göre sıcaklık rejimleri sabit tutulurken, sıcak suyun debisi değiştirilir. Sıcaklık re jimleri, jeotermal kaynağın özellikleri, kulla nılacak malzemenin özellikleri dikkate alınarak tasarım aşamasında seçilir. Sıcaklık re jimlerinin seçimi kadar, sistemde bu rejimi sağlayacak kontrol ekipmanlarının seçimi de çok önemlidir. Sistem seçilmiş sıcaklık re - caklığı değişimlerine verdiği tepki bir çok et- çok önemlidir. Sistem seçilmiş sıcaklık re kene bağlıdır ve statik ısı yükü hesapları ile jimlerine göre tasarlandığından, farklı sıcakbelirlenemez. Gelişmiş ülkelerde bulunan lık rejimlerinde sistem performansı düşer. bölge ısıtma sistemlerinde ısı yükünün tah - Bir jeotermal bölge ısıtma sisteminde sıcakmini için ısı yükü tahmin modelleri kullanıl - lık farklarının tasarım değerinden düşük ol makta ve bu modeller sistem verileri ışığın - ması durumunda, sistemin debisinin arttırıl da devamlı olarak güncellenmektedir. Böyle- ması gerekir. Bu da pompalama enerjisinin ce bölge ısıtma sistemi aboneleri ihtiyaçları artması anlamına gelir. Jeotermal enerjinin kuyubaşından bina olan ısıyı doğru miktarda ve doğru zamanda lara dağıtımını sağlayan sirkülasyon pompaalabilmektedirler. Isı yükü tahmini optimum işletme stratejisinin belirlenmesinde ilk adı - ları ve yardımcı pompaların, seri ve paralel mı oluşturur ve diğer adımlar için en önemli kombinasyonları en iyi şekilde incelenmeli ve bu pompalar en yüksek performansı ve veriyi oluşturur. Jeotermal bölge ısıtma sistemlerinde ge - recek şekilde çalıştırılmalıdırlar. Yukarıda sıralanan işletme stratejileri, nel olarak birden fazla jeotermal kuyudan üretim yapılır. Bu kuyuların maksimum üre - sistemde belirli bir düzeyde otomasyon yoktim kapasitesi, jeotermal akışkan sıcaklıkla - sa uygulanamaz. Kilometrekarelerce alana rı, statik ve dinamik seviyeleri, ve pompa ka- yayılmış ve ısıtma sezonu boyunca çalı rakteristikleri birbirlerinden farklılık göstere - şan bölge ısıtma sistemlerinin manuel kont rolü oldukça zor ve verimsizdir. Jeotermal bilir. Bu durumda jeotermal enerji üretimi içim tüketilmesi gereken elektrik enerjisi mik- bölge ısıtma sistemlerinde optimum kontrol tarı her kuyu için değişir. Elektrik tüketiminin stratejisi tasarım sırasında belirlenmeli ve minimize edilebilmesi kısmi yüklerde verimli kontrol ve izleme elemanları buna göre se çilmelidir. kuyuların çalıştırılmasına bağlıdır. Şekil 2, bir Geleneksel Gülden GÖKÇEN ısıtma sistemle jeotermal bölge 1968 yılı Đzmir doğumludur. 1990 yılında Dokuz Eylül Üniversitesi rinden farklı ola- Makina Mühendisliği Bölümü’nü bitirmiştir. Ege Üniversitesi Güneş ısıtma sistemi Enerjisi Enstitüsü’nden 1992 yılında Yüksek Mühendis, 2000 yılındada nin optimum rak, jeotermal Doktor ünvanı almıştır. 1996 yılında Auckland Üniversitesi Jeotermal ısıtma sistemleri Ensititüsü’nde bir yıllık “Jeotermal Enerji Teknolojisi Diploma Kursu”na kontrolü için iz katılmıştır. 1997 yılında NATO A2 bursu ile ABD’de “Jeotermal Elektrik lenmesi gereken sabit sıcaklık Santralleri’nde Reboiler Teknolojisi” üzerine dört aylık bir çalışma yapmıştır. 1991-2000 yılları arasında Güneş Enerjisi Enstitüsü’nde Araş yolu gösterir. farkı değişken tırma Görevlisi olarak görev yapmıştır. 2000 yılından bu yana Đzmir Bu bakış al debi prensibine Yüksek Teknoloji Enstitüsü Makina Mühendisliği Bölümü’nde Yard.Doç.Dr. olarak görev yapmaktadır. Jeotermal elektrik santrallarında tında Balçovagöre işletilirler. verim arttırma yöntemleri, ısı eşanjörleri, jeotermal enerji kullanım yönNarlıdere Je Bu işletme temleri ve jeotermal enerjinin çevresel etkileri konularında çalışmak tadır. otermal Bölge prensibine göre, Isıtma Sistemi değişen ısı yü TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ / Mart-Nisan 2004 51 Şekil 2: Jeotermal bölge ısıtma sisteminin optimum kontrolü analiz edilmiştir. Bu analizin sonucunda, je - namik davranışları tam olarak modellenebilotermal bölge ısıtma sistemlerinde, işletme mişse, nihayet bu tahmin ve modellemelere kontrol stratejisinin başarısının ölçütü ola - bağlı olarak kontrol sistemi oluşturulmuş ve cak, farklı sistemlerin birbiriyle karşılaştırıl - işletiliyorsa, CEER’ın değeri 1 olacaktır. Anmasına imkan sağlayacak iki katsayı, kon - cak, en azından değişen dış hava sıcaklı vansiyonel enerji katsayısı [Conventional ğının ve buna bağlı olarak değişen yükün Energy Ratio (CER)] ve konvansiyonel ener- tam olarak tahmin edilmesi mümkün değildir. ji fazlalık katsayısı [Conventional EnergyBu nedenle, binalardaki konfor koşullarının Excess Ratio (CEER)] tanımlanmıştır. Kon - eksiksiz sağlanması amacıyla, sisteme ge vansiyonel enerji katsayısı (CER), bir jeoter- rektiğinden daha fazla enerjinin verilmesi söz konusudur. Böylece CEER 1’den büyük mal sahada birim elektrik tüketimi başına üretilen jeotermal enerji miktarı olarak ta - olacaktır. Balçova-Narlıdere Jeotermal Böl ge Isıtma Sistemi’nde 2001 ve 2002 yıllarına nımlanmıştır. Konvansiyonel enerji fazlalık ait veriler kullanılarak hesaplanan iki yıllık katsayısı (CEER) ise, bir jeotermal bölge ısıtma sisteminde, ısıtma yükünü karşıla - ortalama CER ve CEER katsayıları sırasıyla mak üzere işletilen kuyu ve akışkan trans - 69 (kWht/kWhe) ve 1.91 olarak bulunmuştur. fer pompalarında kullanılan elektrik enerjisi - Mevcut sistemde, Şekil 2’de verilen opti nin, aynı ısıtma yükünün en uygun kuyu di - mum kontrol stratejilerinin uygulanması ile zininin, kuyu ve transfer pompalarının çalış - CER değeri 131 (kWh t /kWhe) değerine CE ma noktalarının seçimi ile harcanacak elekt- ER değeri de 1’e yaklaştırılabilir. CER ve CEER değerleri bütün jeotermal rik enerjisine oranıdır. ısıtma sistemlerinde kullanılabilir fakat je Đdeal olarak, değişen dış sıcaklığa bağlı otermal bölge ısıtma sistemlerinin tasarım olarak sistemin ısı yükü tahmin edilebilirse, sistemin kapasitif davranışı ve kuyuların di - konseptleri, elektrik tüketimini minimize et - 52 TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ / Mart-Nisan 2004 mek için izlenecek metodları farklılaştırabi lir. Örneğin, şehir dağıtım sisteminin açık devre olduğu ve jeotermal akışkanın korozif özellikler taşımadığı ve bina ısıtma sistem lerine kadar taşınabildiği bir sistemle, ikincil çevrimi olan ve şehir içi dağıtımı kapalı devre olan bir sistemin kontrol stratejisi farklıdır. Daha önce Şekil 1’de gösterilen jeotermal bölge ısıtma sistemi şeması ülkemizde bulunan tipik bir jeotermal bölge ısıtma sis teminin bütün özelliklerini yansıtmaktadır. Sonraki bölümlerde daha ayrıntılı açıklana cak olan bu sistem bu çalışmada baz alın mıştır. 2. Balçova-Narlıdere Jeotermal Bölge Isıtma Sistemi Balçova - Narlıdere Jeotermal Bölge Isıt - Tablo 1: Balçova-Narlıdere JBIS Üretim Kuyuları (2002-2003) [1] Kuyu Sýcaklýk Maks. Üre tim Debisi (m3/h) BD2 132 180 BD3 BD4 BD5 120 135 115 85 140 80 BD7 B4 B5 125 117 120 60 55 135 B10 105 100 Tablo 2: Balçova-Narlıdere Jeotermal Boru Hattına Bağlı Isıtma Sistemleri (2002-2003) [1] Tesis Tepe Isý Yükü (kW) Balçova JBIS Narlýdere JBIS 50364 5800 Balçova - Narlıdere Jeotermal Bölge Isıt ma Sistemi’nde jeotermal enerjinin üretilmesinden son kullanıcıya transferine kadar basitleştirilmiş bir şeması Şekil 3’ de veril miştir. Görüleceği üzere kuyulardan üretilen jeotermal akışkan, ısı merkezlerinde enerji sini şehir şebekesine transfer ettikten son ra, re-enjeksiyon kuyularına geri basılmaktadır. şehir şebekesindeki akışkan enerjiyi, jeotermal akışkandan bina altı ısı eşanjör leriyle bina şebekesindeki akışkana aktar maktadır. Bina şebekesindeki akışkan da 9 Eylül Hastane-1 9 Eylül Hastane-2 Havuz Tedavi Merkezi (spa) Termal Otel Prenses Hotel 14000 1700 1275 2200 1700 3200 enerjiyi ısıtıcılarla hacimlere aktarmaktadır. Yine görüleceği üzere, her üç şebekede akışkanın dolaşımı elektrikle tahrik edilen farklı özelliklerde pompalarla sağlanmakta dır 2002-2003 Isıtma sezonu itibariyle 8 üretim kuyusu, jeotermal akışkan üretimi için Şekil 3: Balçova-Narlıdere JBIS Basit Şeması TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ / Mart-Nisan 2004 53 kullanılmıştır. Bu kuyulardan elde edilen enerji 8 ısı merkezine gönderilmektedir. ku yuların ve ısı merkezlerinin genel özellikleri Tablo 1 ve 2’de verilmiştir. Jeotermal üretim ve enjeksiyon yapılan kuyularla, jeotermal akışkan hattına ait boru sistemi Şekil 3’de gösterilmiştir. Burada tek çizgi ile gösterilen boru hattı gidiş ve dönüş boru hatlarını birlikte temsil etmektedir. Tüm üretim kuyularından, bir derin kuyu jeotermal akışkan pompası ile üretim yapılmaktadır. Üretim debisi, frekans konverterleriyle (de ğişken frekans sürücüsü) sıfırdan kuyu maksimum üretim kapasitesine kadar değiştirilebilmektedir. Isı enerjisi gereksiniminin olmadığı kısa aralıklarda, teknik nedenler yü zünden, kuyu pompaları durdurulmamakta çok küçük devirlerde üretim yapılmaktadır. Genel olarak ısı merkezlerinde 90 °C’a kadar ısıtılan akışkan bina altı ısı eşanjör lerinden geçtikten sonra yaklaşık 60 °C’de geriye dönmektedir. Her bina kendi ısı başka deyişle, yük değişimine karşı debi değiştirilmektedir. Yaşam hacimlerinde farklı tipte ısıtıcılarla (genellikle panel radyatörler) ısıl konfor sağlanmaktadır. Örnek olarak ısı merkezlerine bağlı şehir şebekele rinden Balçova bölgesine ait olanı Şekil 4’te verilmiştir. Şehir şebekesinin toplam uzun luğu yaklaşık 80 km’dir. Boru çapları da 25 mm ile 350 mm. aralığında değişmektedir. Bu şekilde de, tek çizgi gidiş ve dönüş hat larını temsil etmektedir. Bu şebekede 4 adet sirkülasyon pompası bulunmaktadır. Değişken frekans sürücüleriyle kontrol edi len pompalardan genellikle üçü çalışmakta, biri yedek olarak durmaktadır. 3. Jeotermal Bölge Isıtma Sistemlerinin Optimum Kontrolü Jeotermal bölge ısıtma sistemlerinde iş letme hedefi kullanıcıya ihtiyacı olan ısıyı sağlarken, sistem enerji tüketimini minimize etmektir. Bu sistemlerde enerjinin neredeyse eşanjörüne ve akışkan debi kontrol siste mine sahiptir. şehir şebekesindeki kontrol sistemi ve elemanları sabit sıcaklık değiş ken debi prensibine göre seçilmiştir. Bir tamamı pompalar tarafından tüketilir. Jeotermal bölge ısıtma sistemlerinde enerji tüketi minin düşürülmesi sistemdeki bütün pompaların birbiriyle koordineli ve en yüksek verim Şekil 4: Balçova Şehir Sıcak Su Dağıtım Sistemi 54 TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ / Mart-Nisan 2004 noktasında çalıştırılması ile mümkündür.ayarlayabilirler. Bir operatörün frekans sürü Bölge ısıtma sistemlerinde kontrol, za - cülerinin avantajlarından tam olarak yararlamanla değişen dış hava şartlarına (başlı - nabilmesi ve sistemi sorunsuz işletebilmesi için aşağıdaki parametreleri bilmesi gerekir. ca dış hava sıcaklığı) bağlı olarak değişen 1. Ertesi günün dış hava sıcaklığı tahminini bina ısı yüklerini karşılamak üzere yeterli ısıyı sistem kullanıcılarına iletmek için, ısıdikkate alarak hesaplanmış bir gün üreten sistemlerin ve taşıyan akışkanların sonraki sistem ısı yükünün miktarı. sırasıyla üretim ve taşıma kapasitelerini de -Sistem 2. ısı yükünü karşılamak ve enerji ğiştirmektir. Bu değişim, sabit sıcaklık de -tüketimini minimize etmek için çalıştırı ğişken debi veya değişken debi sabit sı -lacak kuyular ve bunlardan ne kadar caklık prensiplerinden birini uygun olarak debide üretim yapılacağı. gerçekleştirilir. Jeotermal bölge ısıtma sis -Sistemin 3. optimum basınç ve sıcaklık temleri gibi büyük sistemlerde, kuyu ve sir -işletme değerleri. 4. külasyon pompalarının devirleri değiştirile -Sistemdeki bütün boru hatlarının ba rek, sabit sıcaklık değişken debi ile yük sınç düşüm karakteristikleri (bütün dekontrolu yapılması literatürde tavsiye edil -biler için). 5. mektedir [2]. Özellikle değişken frekans sü -Sistemdeki bütün pompaların karakte rücülerinin (variable frequency drivers) dü -ristik eğrileri. şen fiyatları ve otomasyon sistemlerine ko -Bu bölümde yukarıda sıralanan konular layca adapte edilebilmeleri, değişken fre - hakkında bilgi verilecek, ve Balçova-Narlıdekans kontrolünün jeotermal sistemlerde sık re JBIS üzerinde yapılan çalışmalar örnek olarak kullanımına yol açmıştır. Frekans lenecektir. kontrollü bir pompa, belirlenen maksimum ve minimum debi değerleri arasında istenilen 3.1 Jeotermal Bölge Isıtma Sistemlerinde debide üretim yapabilir. Böylece operatörler Isı değişen ısı yüküne göre jeotermal akışkan Yükü Tahmini üretimini ve sirkülasyon suyunun debisini Konvansiyonel enerji kaynaklı bölge ısıt - üretimini ve sirkülasyon suyunun debisini Konvansiyonel enerji kaynaklı bölge ısıt ma sistemlerinde ol duğu gibi, bir jeoter mal bölge ısıtma sis teminin optimum ko şularda işletilmesi ne sağlayacak kont rol stratejisi ısı yükü nün modellenmesine gereksinim duyar. Isı yükünün modellen mesi, sisteme bağlı binaların herhangi bir andaki ısı kayıpları nın hesaplanabilme sine imkan veren Şekil 5: Balçova JBIS Isı Yükü – Dış Hava Sıcaklığı Değişimi (2001-2002 Isıtma Sezonu) modelin [3] kurulması TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ / Mart-Nisan 2004 55 Şekil 6: Balçova JBIS ısı yükü değişiminin model sonuçları ile karşılaştırılması (2001-2002 Isıtma Sezonu) [3] Şekil 7: Balçova JBIS’nde gerçek ısı yükü değişiminin model Günlük olarak hesaplanan bu değerler, mevcut sisteme, ideal ol mamakla beraber verilen enerji dir. Şekil 5’te 2001-2002 ısıtma sezonunda Balçova ısı merkezinden saatlik olarak alınan ölçüm lerden elde edilen ve dış hava sıcaklığı-sistem ısı yükü ilişkisi verilmiştir. Şekil 5’teki verilere zaman serisi analizi yöntemi uy gulanmış ve Balçova JBIS’nin ısı yükü modeli çıkarılmıştır. Modele göre bir sonraki günün Şekil 7: Balçova JBIS’nde gerçek ısı yükü değişiminin model sonuçları ile Karşılaştırılması (2000-2001 Isıtma Sezonu) [3] dır. Örnek olarak üstünde çalışılan BalçovaNarlıdere sistemine bağlı yaklaşık 900 bi nanın termo fiziksel özelliklerinin bilinmemesi, dinamik ısı yükü hesaplama simülatörlerinin kullanımını mümkün kılmamaktadır. Sisteme bağlı binalara verilen toplam enerji 2001 yılından itibaren düzenli olarak, ölçülen eşanjör giriş ve çıkış sıcaklıkları ile şehir şebekesi debisinden hesaplanmaktadır. 56 Modele göre bir sonraki günün ısı yükü aşağıdaki gibi hesapla - nabilir. [3] Qyarin = A . Qbugun + B . Tyarin + C . Tbugun + D . Tdun A = (0.8125±0.03696) B = (-197.3±46.34) C = (-148.9±59.85) D = (6714±1274) TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ / Mart-Nisan 2004 Elde edilen ısı yükü tahmin modeli 2001- nan bölge ısıtma sistemlerinde otomasyo 2002 ısıtma sezonu gerçek verileri ile karşı - nun bir parçası olarak kullanılmaktadır. Mo laştırılmış ve Şekil 6’da geçek değerler ile dellerin doğruluğu hava sıcaklığı tahminleri modelin karşılaştırılması verilmiştir. nin ve kullanılan verilerin doğruluğuna bağlı2001-2002 ısıtma sezonu verileri kullanı - dır. Ülkemizde bu tür modeller halen çalış larak elde edilen ısı yükü modeli, 2000-2001 maların devam ettiği Balçova-Narlıdere JBIS ısıtma sezonuna uygulanmış ve 2001-2002 sistemi dışında kullanılmamaktadır. Isı yü ısıtma sezonu gerçekleşen ısı yükü ile kar - künün önceden doğru olarak tahmin edilebilşılaştırılmıştır. Şekil 7’de verilen bu kar - mesi durumunda, ısı enerjisi doğru noktaya şılaştırma, simülasyonun yük tahminin de doğru zamanda ulaştırılabilecektir. Böylece kullanılabileceğini göstermektedir. Bu tür kullanıcı memnuniyeti sağlanırken aynı za modeller ancak gelişmiş bilgisayar prog - manda da enerji tassarufu yapılabilecektir. ramları ve büyük miktarda sistem verisinin 3.2 Jeotermal Kuyuların Çalıştırma kullanımı ile mümkün olabilmektedir. Ayrıca Stratejilerinin Belirlenmesi ısı yükü tahmininde kullanılan modellerin sü-Minimum elektrik enerjisi tüketimi ile iste rekli olarak güncellemesi ve kalibrasyonu ya- nilen enerjiyi taşıyan akışkanın üretilmesi, sıcaklıkları, dinamik ve statik seviyeleri birbipılmalıdır. Şekil 7’de düz çizgi gerçekleşen ısı yükünü, noktalar ise bir gün önceden mo- rinden farklı ve zamanla değişen çok sayı da kuyudan en uygunlarının seçilmesini ge del kullanılarak yapılmış ısı yükü tahminini rektirmektedir. En uygun kuyuların seçimi göstermektedir. Isı yükü modeli sayesinde operatör bir gün sonrasının ısı yükünü ertesi ise, istenilen enerjiyi taşıyan jeotermal akışkanın, minimum elektrik enerjisi ile üre günün dış hava sıcaklığına bağlı olarak ten kuyu grubunun üretim parametreleri ile tahmin edebilmekte ve sistemi bu tahmine (devir, debi vs.) belirlenmesidir. göre hazırlayabilmektedir. Bu tür modeller gelişmiş ülkelerde bulu -Jeotermal akışkan üretiminin optimum Şekil 8: Balçova-Narlıdere JBIS’ndeki bazı üretim kuyularının enerji tüketimi karakteristikleri [3] TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ / Mart-Nisan 2004 57 Ptotal QBD2 Ptotal kuyu işletme prensibi ile yapılması ile ilgili bir çalışma Balçova-Narlıdere Jeotermal Bölge Isıtma Sistemi üzerinde yapılmıştır. Balçova–Narlıdere jeotermal üretim saha sında, jeoetermal akışkan üretimi, sıcaklık ları ve maksimum debileri farklı 8 kuyudan yapılmaktadır. Bu kuyuların Tablo 1’de veri - Q well len özelliklerine ek olarak, bu kuyuların pompa karakteristikleri birbirinden farklıdır. Bir başka deyişle bu kuyulardan üretilen je otermal enerjiye karşılık harcanan elektrik enerjisi kuyudan kuyuya farklıdır. Örnek olarak Şekil 8’de dört kuyu için yapılan jeoter mal enerji üretimine karşılık tüketilen elekt rik enerjiyi gösteren eğriler verilmiştir. Şekilden görüleceği üzere, ayni miktarda enerji üretimi için tüketilecek Ppump elektrik enerjisi farklı kuyular için çok miktarda değişmekte dir. Örneğin 4000 kWt enerji üretimi için BD4 kuyusu pompasında 10 kWe, diğer kuyular da 25 kWe güç kullanılmaktadır. Bu nedenle gereksinim duyulan enerjinin üretimi için, minimum elektrik enerji tüketmek üzere kuyuların ve pompa devirlerinin seçilmesi gerek mektedir. Bu seçim içinde en başta, kuyula rın yukarıda verilen üretim karakteristiklerini Ptotal içeren Ptotal programında, oluşturulan kuyu üretim ka rakteristikleri veri tabanını kullanan bir bilgi sayar programı ile, herhangi bir andaki ısı yükünü karşılamak üzere istenilen enerjiyi üreten en uygun kuyu grubu seçilmekte, bu gruptaki kuyu pompalarının jeotermal hidro lik devre üzerindeki etkileri bilgisayar orta mında modellenmekte ve sonuçlar gözlen mektedir. Kuyu grubunu seçilmesi ile ilgili algoritmanın ana özellikleri aşağıda açıklan mıştır. [3] Her hangi bir kuyudan üretilen jeotermal enerji: (1) eşitliği ile hesaplanır. Bu eşitlikte Treturn , ısı merkezlerindeki eşanjörlerdeki jeotermal akışkan çıkış sıcaklığıdır ve 60 °C olarak tasarlanmıştır. Bu sıcaklığın 60 °C olarak kabülü jeotermal sisteme bağlı kullanıcıların radyatörlerinin 60 °C’nin altı sıcaklıklarda yetersiz kalmasından dolayıdır. Söz konusu jeotermal enerjiyi üretmek için gerekli pompa gücü aşağıdaki 2 nolu eşitlikle hesaplanır: (2) veri tabanının oluşturulması gerekir. Kuyulardaki üretim karakteristiklerinin yanında, kuyu pompalarının seçilen çalışma parametrelerinin jeotermal akışkan devre Q BD2 sin deki hidrolik etkileri de, iş letme stratejisini belirleme açısından önemlidir. Balçova – Narlıdere Jeotermal Bölge 1 ve 2 no’lu eşitliklerden, pompa gücü ile üretilen enerji arasındaki fonksiyonel ilişkiyi kurmak mümkündür: P pump (3) = ƒ(Q well ) Üretim yapan tüm kuyular göz önüne alınır - dir. Balçova – Narlıdere Jeotermal Bölge Isıtma Sistemi için geliştirilen optimizasyon 58 sa, üretim sisteminin tümü için: TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ / Mart-Nisan 2004 Şekil 9: Optimum kuyu işletme stratejisini belirleyen WELLOPT programının arayüzü Şekil 10: Tipik bir jeotermal bölge ısıtma sisteminin basit şeması (ID= Isı değiştirgeci) ne eşit veya ondan büyük olmalıdır: (4) eşitliği yazılır. Herhangi bir anda, kuyular dan üretilen toplam enerji, o andaki ısı yüküTESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ / Mart-Nisan 2004 59 (5) Böylece minimum enerji kullanımını sağla yacak performans kriteri, (6) eşitliğiyle ifade edilir. Hazırlanan program hem 5 nolu, hem de 6 nolu eşitliği sağlamak üzere tasarlanmıştır. Şekil 9 Balçova-Narlı dere Jeotermal Bölge Isıtma sistemi’nde optimum kuyu çalıştırma stratejisini belirlemek üzere yazılmış WELLOPT adlı programın kullanıcı ara yüzünü göstermektedir. Prog ram ilk olarak dış hava sıcaklığına tahmini ne bağlı olarak ertesi günün ısı yükünü he saplamakta daha sonra da çalıştırılacak ku - Şekil 11: Balçova şehir dağıtım sisteminde tepe yüklerde kronik ısıtma sorunlarının yaşandığı bölgeler. [3,4] Şekil 12: Balçova Sıcak Su Şehir Dağıtım Sistemi Basınç Düşüm Grafiği [3, 4] 60 TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ / Mart-Nisan 2004 yuları ve her bir kuyudan üretilecek jeoter mal akışkan miktarını belirlemektedir. Je otermal bölge ısıtma sistemlerinin işletme mühendislerinin kullanımı için tasarlanmış den veya ısı değiştirgecinden geçtikten sonra pompa istasyonuna geri döner, ve burada tekrar ısıtılır. Balçova-Narlıdere Jeotermal Bölge Isıt - mühendislerinin kullanımı için tasarlanmış olan program, kolayca her türlü jeotermal sisteme adapte edilebilir. Gerekli otomasyon altyapısı bulunan sistemlerde ise direkt ola rak otomasyon sistemlerine (SCADA) entegre edilebilir. Balçova-Narlıdere Jeotermal Bölge Isıt ma Sistemi’nin şehir dağıtım sistemi basit şeması Şekil 10’da görülmektedir. Pompa istasyonunda bulunan ana ısı değiştirgecin de jeotermal akışkanın sıcaklığı şehir da ğıtım sistemi suyuna transfer edilir. Kapalı devre olan şehir dağıtım sistemi yaklaşık sıcaklığı 85-90 °C olan suyu şehir içindeki 3.3 Şehir Sıcak Su Dağıtım Sisteminin bina altı ısı değiştirgeçlerine taşır. Bina altı Kontrolü Şehir dağıtım sistemleri bir pompa istas - ısı değiştirgeçlerinde, şehir dağıtım sistemi yonundan şehirdeki binalara sıcak su taşı - suyunun ısısı, bina içi ısıtma sistemine aktayan sistemlerdir. Şehir dağıtım sistemleri ta- rılır. Şehir dağıtım sistemi suyu yaklaşık 60 °C’de pompa istasyonuna döner. sarım konsepti olarak açık devre ve kapalı devre olarak ikiye ayrılırlar. Açık devre sis -Şehir dağıtım sistemlerinde işletme temlerde su kullanıcıya ulaştırıldıktan sonra prensibi tasarım sırasında belirlenmiş opti mum sıcaklık rejimlerinin sabit tutulması sistemden atılır (Kanalizasyon, deniz vs.), sisteme devamlı olarak yeni su girişi vardır. üzerinedir. Isı değiştirgeci giriş ve çıkış sı Bu tür sistemler su kaynağının bol miktarda caklıklarının belirlenen değerde tutulması bulunduğu ve kot farkının problem olmadığı ısıtılan mekanlarda ısıl konforu sağlamak ve yerlerde kullanılır. Dünyada olduğu gibi ülke- enerji tasarufu açısından hayati derecede önemlidir. Sıcaklık rejimlerinin sabit tutulabilmizde de şehir sıcak su dağıtım sistemleri çoğunlukla kapalı devre tasarlanmaktadırlar. mesi için sistemin ısı yükünün önceden bilinKapalı devre sistemlerde sıcak su radyatör - mesi gereklidir. Bu da ancak daha önce bah- Şekil 13: Balçova Sıcak Su Dağıtım Sistemi Đdeal Basınç Düşüm Grafiği [4] TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ / Mart-Nisan 2004 61 sedilmiş olan ısı yükü modellerinin oluştu rulması ve kullanımı ile mümkündür. Dağıtım sistemlerinde termodinamik denge kadar hidrolik denge de önemlidir. Şekil 11’de Balçova şehir sıcak su dağıtım siste minde kronik olarak ısıtma problemi yaşa nan bölgeler gösterilmektedir. Şekil 12 ise Balçova şehir dağıtım sisteminin basınç dü şüm grafiğini göstermektedir. Hidrolik mo - pılacak değişiklikler ilk olarak bu program larda uygulanır ve sonuçları analiz edilir. Yazarların bilgisi dahilinde ülkemizde sadece Balçova-Narlıdere JBIS’nde bu tür simülas yon programları kullanılmaktadır. Bu tür programların ülkemizde yaygınlaşarak böl ge ısıtma sistemi tasarımcılarının ve opera törlerinin elinde bir araç haline gelmesi, ülkemiz kaynaklarının daha verimli kullanılabil - şüm grafiğini göstermektedir. Hidrolik mo delleme programları sayesinde çıkarılabilen bu tür grafikler, sistemin hidrolik analizi ve sistem sorunlarının çözümü için önemli araçlardır. Şekil 12’de görüldüğü gibi sistemdeki ısınma problemlerinin %60’ından fazlasının bulunduğu Bölge I, sistemde en yüksek ba sınç düşümüne sahip bölgedir. Özellikle te pe yüklerde bu bölgede yaşanan problemlerin kaynağı sıcak suyun bölgeye yeterli ba sınçta gönderilememesidir. Hidrolik denge sizlik yanlış sistem tasarımının bir sonucu dur ve işletme safhasında alınacak hiçbir tedbir, hidrolik dengesizliğe bir çözüm ola maz. Bölge II ve Bölge III te yaşanan ısınma problemlerinin sebebi sırasıyla küçük çapta boru kullanımı ve bina altı debi kontrol vanalarından kaynaklanan problemlerdir. Şekil 13, Balçova sıcak su dağıtım sistemi için olması gereken basınç düşüm grafiğini gös termektedir. Branşmanlar arasındaki basınç farkı az dolayısı ile hidrolik dengesizlik riski çok daha düşüktür. Şekil 13’ten görüldüğü gibi ideal tasarımda sistem basınç kaybı daha büyüktür. Bunun sebebi ideal tasarımın boru maliyeti-işletme maliyeti optimizasyo nuna göre yapılmasıdır. Jeotermal bölge ısıtma sistemlerinin tasarımı ve işletimi sırasında hidrolik modellem ve simülasyon programlarının kullanımı, ta sarımcılara ve operatörlere sistem üzerindeki problemleri ve potansiyel gelişme fırstalarını görme fırsatı verir. Sistem üzerinde ya - 62 miz kaynaklarının daha verimli kullanılabil mesi için çok önemlidir. Şehir dağıtım sistemi işletiminde göz önünde bulundurulması gereken bir diğer faktör bina altı bağlantı elemanlarıdır. Şehir dağıtım sisteminin binaya bağlandığı nokta da bulunan kontrol elemanları sistemin dengeli çalışmasını sağlarlar. Ülkemizde bina bağlantılarında genel olarak kendi kendine çalışan (Self-operating) vanalar kullanıl maktadırlar. Bu vanalar sıcaklık, basınç ve debi kontrolünde kullanılmaktadırlar. En yaygın uygulama ısı değiştirgeci çıkış sıcaklı ğının kontrol edilmesidir. Ülkemizde bu tür vanaların kullanılmasında en çok karşılaşı lan zorluk sistemde ki suyun içerdiği kum ve çamurun bu hassas vanaları tıkaması veya kilitlemesidir. Öte yandan bu vanaların ayarı her bir binanın ısı yüküne göre yapılmalı ve bütün sezon boyunca sabit tutulmalıdır, bir vananın ayarındaki en ufak bir sapma zincirleme olarak bütün bir branşmanı daha sonra da bütün sistemi etkiler. Vanalara müdahale sadece bilgili ve yetkili kişiler tarafından ya pılmalı ve vanalar dış müdahalelere karşı korunaklı olmalıdırlar. Şehir dağıtım sistemleri yüzlerce binaya bağlı büyük sistemlerdir. Herhangi bir branşmandaki hidrolik dengesizlik (kaçak, vana ayarsızlığı vs.) bütün bir sistemi etkiler. Bu sebeple şehir dağıtım sistemleri üzerin de yapılacak değişikliklerde bütün sistem bir bütün olarak düşünülmeli ve sistem ope ratörleri haricinde sisteme müdahale (pompa yerleştirme, vana ayarı yapma) kesinlikle TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ / Mart-Nisan 2004 önlenmelidir. Sistem işletme strajesini belirleyen bir di ğer parametre de kullanıcıların aldıkları ısınma servisi için ödeme şekilleridir. Ülke mizdeki jeotermal ısıtma sistemlerinde uygulanan sistemde ödeme yıllık olarak dağıtıcı firma tarafından belirlenir. Her bir konut için ücretlendirme konut alanına göre yapılır. Bu sistemde kullanıcı yıl içinde ne kadar ısı kullanırsa kullansın sabit bir ücret öder. Diğer sistemde ise kullanıcının ısıtma sistemine bağlı olan debimetre kullanıcının kullandığı sıcak su miktarını saptar ve fiyatlandırma buna göre yapılır. Bu sistemin ana dezavan- yan noktası kontrol vanalardır. Daha önce de belirtildiği gibi bu vanalar çeşitli etkenler nedeniyle işlevlerini yerine getirememekte dirler. Bu durum sistemde hidrolik dengesizliğe yol açmaktadır. Kontrol vanaları işletme koşullarına (sıcaklık, basınç, su kalitesi) çok duyarlıdır. Kontrol vanalarının (Self operating valves) kullanıldığı sistemlerde, bu tür vanaların uygun çalışma koşulları çok iyi incelenmeli ve sistem tasarımında bu koşullar sağlanmalıdır. Kontrol vanalarının işlev lerini doğru yerine getirebilmesi sabit fiyat landırmanın sistem üzerindeki olumsuz etkileri ez aza indirilebilir. buna göre yapılır. Bu sistemin ana dezavan- leri ez aza indirilebilir. tajı her bir bağlantı için ilk yatırım maliyetinin artması ve debimetrelerin periyodik olarak 4. Jeotermal Bölge Isıtma Sistemlerinde okunması ihtiyacıdır. Öte yandan debimetre-Elektrik Tüketimi Performansı CER ve CE li sistemde kullanıcı kullandığı suyun parası- ER nı ödediği için tasaruf yapmaya zorlanır. Sa-Bu çalışmanın temel çıkış noktası, bit ücretlendirmede ise enerjinin kontrollü başlangıçta verildiği gibi, “birim elektrik tü kullanımı sadece binaya konulan kontrol ele- ketimi başına ne kadar jeotermal enerji üre manına bağlıdır. Ayrıca Đzlanda’da yapılan tilmektedir?” ve “tüketilen elektrik enerjisi bir çalışmada [5] sabit fiyatlandırma yapılan ısıtma sistemlerde gerçekle şen tepe ısı yükünün debimetreli fiyat landırma yapılan sistemlere göre daha düşük olduğu belirlenmiştir. Bunun se bebi olarak sabit fiyatlandırmada kulla nıcıların ısıyı bütün gün boyunca kul lanmaları öte yandan debimetre kulla nılan binalarda kullanıcIların sadece evde bulundukları akşam ve sabah sa- Şekil 14: Balçova-Narlıdere JBIS’nde optimum ve gerçek CER değerlerinin 2001 ve 2002 yılları için karşılaştırılması [5] atlerinde enerji kullanmaları olarak be lirtilmiştir. Konutlaşma düzeninin Kuzey Avru pa ülkelerinden çok farklı olduğu Türkiye’de bireysel olarak her kullanıcıya debimetre takılması yerine bina bağlantılarına takılacak debimetreler ile apartmanlara toplam olarak ısınma faturası kesilmesi henüz düşünce aşamasında olan bir yöntemdir. Ülkemizde kullanı - Şekil 15: Balçova-Narlıdere JBIS’nde 2001 ve 2002 yılları için CEER değerinin değişimi [5] lan sabit ücretlendirme sisteminin aksaTESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ / Mart-Nisan 2004 63 mümkün olan en düşük değerde midir?” so rularıdır. Örnek olarak ele alınan BalçovaNarlıdere Jeotermal Bölge Isıtma Sistemi 2001 ve 2002 verileri kullanılarak bu soruların cevapları aranmıştır. Bu bölümde jeoter mal bölge ısıtma sistemlerinin performanslarının değerledirilmesinde kullanılacak iki faktör tanımlanmıştır. Balçova-Narlıdere JBIS üzerinde yapılan iyileştirme çalışmaları sı rasında, yapılan iyileştirmelerin sistem üze rine etkisini izleme amacıyla tanımlanan bu iki faktör, diğer jeotermal bölge ısıtma sis temlerinde de performans izleme amacıyla kullanılabilir. Balçova-Narlıdere JBIS’nin 2001 ve 2002 verileri kullanılarak yapılan çalışmada aylık olarak her kuyudan yapılan üretim debileri, kuyu üretim sıcaklığı ile reenjeksiyon sıcaklığı arasındaki farklar çarpılarak kuyulardan üretilen jeotermal enerji he- de ortaya çıkacak elektrik tüketimi olarak hesaplanmıştır. Konvansiyonel enerji katsayısı [Conventional Energy Ratio (CER)], bir jeotermal sa hada birim elektrik tüketimi başına üretilen jeotermal enerji miktarı olarak tanımlanmış tır. [5] CER = Üretilen jeotermal enerji (kWh /kWh ) ––––––––––––––––––––– Tüketilen elektrik enerjisi t e Gerçekleştirilen üretim için CER, jeoter mal enerji üretimi miktarının, elektrik tüketi mine bölünmesiyle elde edilmiştir. Elektrik tüketimini optimize eden kontrol stratejisine göe gerçekleşmesi beklenen CERo ise, je otermal enerji üretimi miktarının optimum elektrik tüketimine oranı ile elde edilmiştir. Konvansiyonel enerji fazlalık katsayısı [Conventional Energy Ratio (CEER)] ise, bir larak kuyulardan üretilen jeotermal enerji hesaplanmıştır. Kuyulardan söz konusu üreti mi yapabilmek ve konutlara tranfer ediebil mek için kullanılan toplam elektrik enerjisi tüketimi de aylık elektrik faturalarından hesaplanmıştır. Optimum enerji tüketimi ise sis tem optimum kontrol stratejisi ile işletildiğin - [Conventional Energy Ratio (CEER)] ise, bir jeotermal bölge ısıtma sisteminde, ısıtma yükünü karşılamak için işletilen kuyu ve akışkan transfer pompalarında kullanılan elektrik enerjisinin, aynı ısıtma yükünün en uygun kuyu dizininin, kuyu ve transfer pomplarının en uygun çalışma noktalarının seçi - Tablo 3: Değişik yükler için optimize edilmiş kuyu kombinasyonları [1] Tablo 4: 40.000 kWt enerji üretimi için farklı kombinasyonların sonuçları [1] 64 TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ / Mart-Nisan 2004 Tablo 5: Örnek işletme günleri için üretilen, tüketilen enerjiler ve optimum kuyu üretim stratejisine göre yapılabilecek işletme ile elde edilebilecek enerji tasarrufu miktarı [1]. mi ile harcanacak elektrik enerjisine oranıdır. nın karakteristiklerinden bağımsızdır. [5] Şekil 14’te gerçekleşen ve optimum CER değerlerinin 2001-2002 yılları için değiTüketilen elektrik enerjisi CEER = –––––––––––––––––––––––––––– şimini göstermektedir, Şekil 15 ise CEER Optimum elektrik enerjisi üketimi değerinin aynı yıllar için değişimini göster Đdeal olarak, değişen dış sıcaklığa bağlı mektedir. 1.91 ortalamayla CEER değerine olarak sistemin ısı yükü tahmin edilebilirse, bakıldığında, sistem kontrolünün optimum sistemin kapasitif davranışı ve kuyuların di namik davranışları tam olarak modellene bilmişse, nihayet bu tahmin ve modellemelere bağlı olarak kontrol sistemi oluşturul muş ve işletiliyorsa, CEER’ın değeri 1 olacaktır. Ancak, en azından değişen dış ha va sıcaklığının ve buna bağlı olarak deği - va sıcaklığının ve buna bağlı olarak deği şen yükün tam olarak tahmin edilmesi mümkün değildir. Bu nedenle, binalardaki konfor koşullarının eksiksiz sağlanması amacıyla, sisteme gerektiğinden daha fazla enerjinin verilmesi söz konusudur. Böylece CEER 1’den büyük olacaktır. Şekil 5’teki CEER değeri aynı zamanda, optimum CERo değerinin Üretim CER değerine oranı - Şekil 16: Gerçek Isı Yükünün Tahmin Sonuçları ile Karşılaştırılması [1] dır: CEER = (CER (7) o ) / (CER) Sistemden sisteme CER değerleri ara sında fark olabilir. Bu farklılık, sistemin projelendirilmesi ve uygulanması en ideal halde gerçekleştirse bile, jeoermal saha özelliklerine bağlı olarak değişebilir. An cak CEER değeri, işletme otomasyonun daki başarıya bağlıdır ve jeotermal saha - Şekil 17: Balçova Sıcak Su Dağıtım Sistemi GidişDönüş Sıcaklık Farkı Değişimi (2002) TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ / Mart-Nisan 2004 65 dan çok uzak olduğunu göstermektedir. Özellikle yaz aylarında yükselen CEER değerinin sebebi yazlık pompalarda değiş ken frekans kontrolünün yapılmamasıdır. Yaz aylarında terkedilen değişken debi sa bit sıcaklık farkı uygulaması yerini zorunlu olarak sabit debi değişken sıcaklık farkı uy gulamasına bırakmakta bu da sistemde sıcklık farkının azalmasına sebeb olmakta dır. Kış aylarında 30°C’ye varan ısı değiş tirgeci sıcaklık farkları yaz aylarında 10°C ‘ye kadar düşmekte bu da sistemin daha fazla enerji tüketmesine sebep olmaktadır. Đlk olarak 2003 yazında yazlık pompalarda frekans kontrolü uygulamasına geçilmiş ve yaz sezonu elektrik tüketimi değerlerinde belirgin bir düşüş gözlenmiştir. 5. Balçova-Narlıdere Sistemi Üzerinde Yapılan Çalışmalar ve Sonuçları Ana hatlarıyla Şekil 2’de gösterilen ve Bölüm 3’te açıklanan optimum kontrol uygulamalarının, Balçova-Narlıdere sistemi üze rinde uygulanılmasına çalışılmıştır. Sis temde herhangi bir otomasyon sisteminin olmaması ve sistemde çalışmaların uygulan - masına engel teşkil eden ciddi miktarda su kaybı olması, çalışmanın bütün hatlarıyla sistem üzerinde uygulanmasını zorlaştır mıştır. Ayrıca çalışmanın uygulandığı 2002-2003 ısıtma sezonunda kuyubaşı ekipmanlarında meydana gelen arızalar (değişken frekans sürücüsü arızası, pompa elektrik motoru arızası) ve toplam kuyu ka pasitesinin sistem tepe yükünü ancak karşılayabilecek büyüklükte olması, belirlenen optimum kuyu çalıştırma seçeneklerinin sistem üzerinde uygulanmasını engellemiştir. Hazırlanan optimizasyon programının ör- Şekil 18: Balçova-Narlıdere Jeotermal Bölge Isıtma Sisteminde Elektrik Tüketiminin Alt Sistemlere Göre Dağılımı Tablo 6: 2002 Mart ve 2003 Mart Aylarına Ait Balçova Sıcak Su Dağıtım Sistemi Performans Bilgilerinin Tablo 6: 2002 Mart ve 2003 Mart Aylarına Ait Balçova Sıcak Su Dağıtım Sistemi Performans Bilgilerinin Karşılaştırılması (Jeotermal Kuyular Hariç) [1] Tablo 7: Performans faktörlerinin mevsimlere göre değişimi [1] 66 TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ / Mart-Nisan 2004 nek sonuçları, Tablo 3’te verilmiştir. Bu tab - lıştırıma stratejisi) izlenerek çalıştırılmış loda birinci sütündaki elektrik gücü, ikinci sü- tır. tunda istenilen ısı yüklerini karşılamak üze -Şekil 16, Mart ayı boyunca Devlet Meteo re seçilen kuyularda, belirtilen üretimler ya - roloji Đşleri Genel Müdürlüğü’nün hava sı pılmak üzere gerekli güçlerin toplamıdır. Ay- caklığı tahminleri kullanılarak yapılan ısı yünı üretimi ve farklı elektrik tüketimleri ile sağ- kü tahminlerinin gerçek ısı yükü ile karşı layan kuyu kombinasyonları birden fazladır. laştırılmasını gösterir. Mart ayı boyunca Bunun bir örneği Tablo 4’te verilmiştir. Yak - sistem bir sonraki günün ısı yükü tahminine göre çalıştırılmış böylece sıcaklık rejimle laşık 40.000 kWt bir üretim için yüzlerce kombinasyon söz konusudur. Tablo’da 1, 5, rindeki muhtemel dalgalanmalar önlenmiştir. 10,15, 40, 75 ve 100 nolu kombinasyonların Şekil 17’de 30 °C olması gereken Balçova sonuçları verilmiştir. Operatör programı ça - şehir sıcak su dağıtım hattı gidiş-dönüş lıştırdıktan sonra elde ettiği bu kombinas - sıcaklık farkının yıllık değişimi görülmekte yonlardan birini kuyuların durumunu (ekip - dir. Bu sıcaklık dalgalanmalarının en önemli man arızaları gibi) ve verimlilik sırasını göz sebeplerinden bir tanesi sistemin bir sonraki önüne alarak seçebilir. günün ısı yükü değilde anlık ısı yükü göz Tablo 5’te, farklı 5 işletme gününe ait önüne alınarak çalıştırılması dolayısı ile ısı gerçekleşen enerji üretimi ve buna karşılık yükü değişimlerine zamanında tepki verile gerçekleşen enerji tüketimlerine karşılık, memesidir. optimizasyon yapıldığı taktirde tüketilecek Sistemin optimum kontrol prensiplerine enerji miktarları ve yapılacak günlük enerji göre kontrol edildiği 2003 Mart dönemi ile tasarrufu miktarları örneklenmiştir. 2002 yılının Mart dönemine ait sistem ısı WELLOPT programının geçmiş ısıtma yükü, ortalama elektrik tüketimi, ortalama sezonuna ait veriler üzerinde uygulanmasıy- dış hava sıcaklığı, şehir gidiş-dönüş sı la, programın kullanımı durumunda Balçova- caklık farkı ve sistemde tüketilen elektrik Narlıdere JBIS elektrik tüketiminde yaklaşık enerjisinin sisteme verilen ısı enerjisine orayıllık %5’lik (65,00 kWhe) bir tassaruf sağla- nı Tablo 6’da verilmiştir. Tabloda görüldüğü yacağı görülmüştür. 8 üretim kuyusu için gibi, Mart 2003’te ortalama dış hava sıcaklımümkün olan bu tassaruf miktarının siste - ğı bir önceki yıla göre çok daha düşüktür. min 12 üretim kuyusu ile çalıştırıldığı 2003- Dolayısı ile 2003 Mart ayında sistemin ısı 2004 ısıtma sezonunda daha çok tassaruf yükü bir önceki yıla göre daha fazladır. Sis sağlayacağı açıktır. Geniş bir alana yayıl - temde tüketilen elektrik enerjisinin sisteme mış kuyu ağına sahip olan Balçova-Narlıde- verilen ısı enerjisine oranı 2002 yılına göre mış kuyu ağına sahip olan Balçova-Narlıde- verilen ısı enerjisine oranı 2002 yılına göre re JBIS’de bu programın kuyu operatörleri artmıştır, bu performans artışının ana se tarafından uygulanabilmesi ancak sistemde bebi şehir-gidiş dönüş sıcaklık farkının 30 otomasyona geçilmesi ile mümkün olacaktır. °C civarında sabit tutulması olmuştur. Dola Optimum kontrol uygulamalarının sıcaklık yısı Balçova sıcak su dağıtım sisteminin performansı bir önceki yıla göre 2003 yılı rejimleri ve sirkülasyon pompaları üzerinde Mart ayında yaklaşık %45 artmış bu da uygulaması ise daha sorunsuz olmuştur. 2003 yılı Mart ayı içerisinde sistem tama - sistemde sadece bir ayda 137,000 kWh e elektrik tassarufu sağlamıştır. men çalışmada belirtilen optimum kontrol prensipleri (Isı yükü tahmini, optimum sıcak-Şekil 18 Balçova-Narlıdere JBIS’de top lık rejimi, optimum sirkülasyon pompası ça - lam elektrik tüketiminin alt sistemlere göre TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ / Mart-Nisan 2004 67 dağılımını göstermektedir. Şekildende görü- yet analizi gereği gibi yapılmadığından, sis leceği üzere sıcak su sistemlerinin elektrik temlerin daha verimli olarak nasıl çalıştırıla tüketimi içindeki payı azalırken jeotermal bileceği sorusu gündeme alınmamaktadır. Bugün ülkemizde bulunan jeotermal böl pompaların payı artmaktadır. Bunun sebebi ge ısıtma sistemlerinin karşılaştığı en bü sıcak su dağıtım sistemlerinde özellikle 2003 yılında yapılan optimum kontrol çalış - yük sorunlardan biri verimsizliktir. Ülkemizin en büyük ısıtma sistemi olan Balçova-Narlı malarıdır. Bu çalışmaların sonucunda bu sistemlerde elektrik tüketimi düşerken kuyu dere JBIS üzerinde yapılan çalışmalar sis temin şimdiki durumundan çok daha verimli pompalarının tüketimi aynı kalmış dolayısı işletilebileceğini ortaya koymaktadır. Bu du ile genel içindeki payları yükselmiştir. rum ülkemizdeki diğer jeotermal bölge ısıt Tablo 7 sistem performans faktörlerinin mevsimlere göre değişimini göstermektedir. ma sistemleri için de genellenebilir. Bölge CEER değerinin en büyük değeri yaz ayla - ısıtma sistemlerinin işletme maliyetini en aza indirebilmek için hem tasarım aşama rında almasının sebebi sistemde kullanılan sında hem de işletme sırasında dikkat edil yazlık sirkülasyon pompalarında değişken mesi gereken hususlar vardır. hız sürücüsü kontrolünün olmamasıdır. Bu yüzden sistemdeki sıcaklık rejimleri sabit tu-Tasarım sırasında [6] a) tulamamakta dolayısı ile bu eksiklik enerji • Boru çapları belirlenirken basınç kay kaybına yol açmaktadır. Optimum CER de bı-boru çapı optimizasyonunu işletme ğerinin kış aylarında en düşük değerleri al maliyeti faktörünü de göz önüne alarak masının sebebi bu aylarda sistemin tam ka yapmak. pasite çalışması dolayısı ile sistemdeki bü -• Sistemde kullanılacak pompaların se tün kuyuları ve sirkülasyon pompalarının üst çiminde pompaları yüksek verimlerde limitlerde ve verim noktalarından uzakta ça çalışacak şekilde seçmek. lışmalarıdır. Gerçek CER değerleri arasın -• Sistemde tüketilen enerjiyi gözlemle da en düşük olanın yaz mevsimine ait olmayen ve pompaları kontrol edebilen bir sının sebebi daha öncede belirtildiği gibi sirkontrol sisteminin tasarımını yapmak külasyon pompalarındaki değişken hız sü ve uygulamak. rücüsü eksikliğidir. Bu eksiklik 2003 yazı iti -Đşletme sırasında [6] b) barı ile giderilmiş ve yaz ayları için CER de -• Kullanıcılara ihtiyaçları kadar ısı vere ğeri yaklaşık 87 (kWh t/kWhe) değerine yükbilmek için, sistem ısı yükünün önce seltilmiştir. den tahmin edilmesi. • Sistemi değişen ısı yükleri için elektrik tüketimini minimuma indiren bir işlet 6. Sonuç ve Öneriler me stratejisine göre çalıştırmak. Önceki bölümlerde açıklanan kontrol ve Đşletme sırasında yapılan hatalarda geri performans izleme stratejilerinin tam olarak uygulanabilmesinin tek yolu sistemde oto - dönüş şansı bulunmasına rağmen, tasarım masyonun bulunmasıdır. Ülkemizde otomas- hatalarından geri dönüş mümkün olmamak - masyonun bulunmasıdır. Ülkemizde otomasyonun ilk yatırım maliyetine getirdiği yük çoğunlukla otomasyon projesinin feda edilmesi veya sınırlandırılması ile hafifletilmektedir. Henüz, ülkemizdeki hiçbir uygulamada mali- 68 hatalarından geri dönüş mümkün olmamak tadır. Günümüzde binlerce binaya dağılan ve bir çok branşmanı olan sistemler bilgisa yar programlarında rahatça modellenebil mekte ve kolayca basınç kaybı-boru çapı TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ / Mart-Nisan 2004 optimizasyonu yapılabilmektedir. Bu tür tem üzerinde yapılan çalışmalar sonunda programların yanlış yapma riski az olduğu sistemin optimum kontrol stratejisi belirlen gibi aynı zamanda tasarımcılara esneklik miş ve sistem manuel olarak da olsa kontol sağlamakta ve proje safhasında meydana stratejisi dahilinde işletilmesine çalışılmış gelen değişikliklerin zaman kaybına yol aç - tır. Bu çalışmalar sonucunda elektrik tüketi masını önlemektedir. Bu tür programların mi ciddi miktarlarda düşürülmüştür. Üretim kullanımı sadece tasarımcıya değil işletme den tüketiciye değişken bir çok parametresi sırasında operatöre büyük katkılar sağla - olan jeotermal bölge ısıtma sistemlerinin maktadır. Đşletmesi ne kadar iyi olursa olsun manuel olarak optimum kontrolü mümkün eğer sistemde tasarım hataları varsa sistem- değildir. Dolayısı ile sistemin elektrik tüketimi den yüksek verim almak imkansızdır. Tasa - azaltılmış olsa bile sistem hala optimum iş rım hatalarının en aza indirilmesi için jeoter- letme şartlarından çok uzakta çalıştırıl mal proje finansörlerinin bu konuda bilinçli maktdır. hareket etmesi ve projenin bütün safhaların-Daha önce de belirtildiği gibi ülkemizdeki jeotermal bölge ısıtma sistemlerinde oto da jeotermal enerji uzmanlarından yardım masyon uygulaması ihmal edilmiştir. Diğer alması gereklidir. Jeotermal bölge ısıtma sisteminde çalı - ısıtma sistemleriyle karşılaştırıldığında je şacak bütün elemanlar (mühendisler, sistem otermal bölge ısıtma sistemlerinin hem daha operatörleri, teknisyenler, kuyu operatörleri, fazla değişkeni vardır hem de kontrol pren arıza ekipleri, işçiler) işe başlamadan ön - sipleri farklıdır. Ülkemizde konvansiyonel ısıtma sistemlerinde çok başarılı otomas ce sistemin çalışma prensipleri hakkında yon uygulamaları bulunmasına rağmen özel eğitime tabii tutulmalıdırlar. Otomasyonun uygulanamamasının bir sebebi de, bu sis - sektör, jeotermal bölge ısıtma sistemi oto temleri işletecek eğitimli çalışanların bulun - masyonu konusunda yeterli bilgi ve tecrübeye sahip değildir. Kısaca ülkemizde jeoter mamasıdır. Otomasyon sistemi kurulmuş bir bölge ısıtma sisteminde bu konuda eği - mal enerji otomasyonu konusunda yeterli bilgi birikimi (know-how) yoktur. Bu durum je tim almış insanlar çalıştırılmalıdır. Jeotermal bölge ısıtma sistemlerinde oto- otermal bölge ısıtma sistemi işletmecilerini masyon yurtdışında özellikle gelişmiş ül - yurtdışındaki uzman firmalardan yardım al kelerde sistemin ayrılmaz bir parçası olarak maya yöneltmektedir. Ülkemizdeki işletme düşünülmekte ve sisteme yapım aşama - cilere yurtdışından verilen fiyatlar çok yük sında dahil edilmektedir. Ülkemizde uygula - sek gelmekte dolayısı ile otomasyon projelenan jeotermal bölge ısıtma projelerinde ise ri beklemeye alınmaktadır. Bu proje ülkemizotomasyon ihmal edilmektedir. Ülkemizde de jeotermal bölge ısıtma sistemlerinin kont2003 yılı sonu itibarı ile en büyük jeotermal rolü ve otomasyonu konusunda bir bilgi biri bölge ısıtma sistemi olan Balçova-Narlıdere kimi yaratmaya yönelik ilk adımdır. ÜlkemizJeotermal Bölge Isıtma Sistemi ülkemizdeki deki jeotermal bölge ısıtma sistemlerinin diğer bölge ısıtma sistemleri gibi manuel performansları ilk olarak bu çalışmada mer olarak işletilmektedir. Bu durum sistemin ve- cek altına yatırılmıştır. Tanımlanan opti rimsiz çalışmasına yol açmakta ve sistemin mum kontrol prensipleri bütün jeotermal bölelektrik tüketim miktarının olması gereken - ge ısıtma sistemleri için geçerlidir ve kuruladen yaklaşık olarak 2 kat fazla elektrik tü - cak bir otomasyon sisteminin algoritmasını ketmesine yol açmaktadır. Son üç yılda sis - oluşturmaktadırlar. Yazarların bilgisi dahilin- ketmesine yol açmaktadır. Son üç yılda sis - oluşturmaktadırlar. Yazarların bilgisi dahilinTESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ / Mart-Nisan 2004 69 de CER ve CEER performans parametreleri ilk olarak bu çalışmada tanımlanmış ve je otermal bölge ısıtma sistemlerinin perfor mansını izlemek üzere kullanılmışlardır. Balçova-Narlıdere JBIS için tasarlanan ve optimum kuyu çalıştırma stratejisini belirle yen WELLOPT adlı program kolaylıkla bütün jeotermal bölge ısıtma sistemlerine adapte edilebilir. Yukarıda sıralananlara ek olarak çalışmaların kısmi olarak Balçova-Narlıdere JBIS üzerinde uygulanmaya başlandığı 2002 yılı başından itibaren yaklaşık 750,000 kWhe elektrik tasarrufu sağlanmış tır. Jeotermal enerji geleneksel enerji kay nakları ile karşılaştırıldığında temiz ve ucuz bir enerji kaynağıdır. Ancak jeotermal enerji sistemlerininde primer enerji kaynaklarına ihtiyaç duydukları unutulmamalıdır. Je otermal enerjinin verimli kullanımı daha fazla konutun jeotermal enerjiyle ısınması anlamına gelir. Ülkemizdeki mevcut sistemlerde iyileştirme çalışmalarının devam ettiği bu günlerde, gelecekteki projeler geçmişten çı karılan dersler ışığında yapılmalıdır. Bu ça lışmada tanımları yapılan CER ve CEER değerleri jeotermal bölge ısıtma sistemleri nin verimliliğini tanımlayan faktörlerdir. Bu faktörler tasarım safhasından işletmeye ka dar jeotermal bölge ısıtma sistemlerinin performans tanımının yapılabilmesini ve performansının izlenebilmesini sağlar. Bu iki kat sayının kullanımı jeotermal bölge ısıtma sistemlerinde işletmecilere sistem performan sının arttırılması yönünde yol gösterecektir. REFERANSLAR [1] ŞENER A. C. , “Optimisation of Balçova Geother mal District Heating System”, Yüksek lisans tezi, Đzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü Makina Mühen disliği Bölümü, 2003. [2] ASHRAE Handbook, Heating, Ventilating and AirConditioning Applications, 1999. [3] ŞENER A. C., Modelling of Balçova Geothermal District Heating Sytem. United Nations University 70 TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ / Mart-Nisan 2004 Geothermal Training Program Publications pp. 233-264, 2003. [4] VALDIMARSSON P., Pipelab 3.18 District Heating Simulation Programme, University of Iceland Mec hanical Engineering Department, 1999. [5] ŞENER A. C., TOKSOY M., AKSOY N., Importan ce of Load Based Automatic Control in Geothermal Energy Systems, 3rd International Federation of Automatic Control Workshop DECOM-TT 225-231, 2003. [6] TOKSOY M., ŞENER A.C., AKSOY N., ÇANAKÇI C., ĐMAMOĞLU F., BAŞEĞMEZ D., GÜLŞEN E., Bergama Jeotermal Bölge Isıtma Sistemi, Đzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü GEOCEN Yayınları No:001, 2003. [7] ŞENER A.C., TOKSOY M., GÖKÇEN G., Jeoter - mal Bölge Isıtma Sistemlerinde Kontrol Stratejileri ve Otomasyon, TESKON 2003 - Jeotermal Enerji Doğrudan Isıtma Sistemleri ve Tasarımı Semineri, MMO Yayın No: MMO/2002/328-4, 2003. SEMBOLLER ve ĐNDĐSLER Cp g H Özgül ısı (kJ/(kgK) Yerçekimi ivmesi (m/s2 ) Basma yüksekliği (m) m P Q Debi (kg/s) Birim zamanda tüketilen elektrik enerjisi (KW) Birim zamanda üretilen ısı enerjisi (kW) T gt pump Sıcaklık ( °C ) Jeotermal (- ) Pompa (-) return well h Eşanjör çıkışı (-) Kuyu (- ) Verim (- )
